新發現!粒子物理學迎來新的裡程碑!

2021-02-08 博科園
博科園:本文為粒子物理學類

1. 最深刻的謎題

為什麼我們會存在?這個問題是現代物理學中最深奧的謎題之一。但現在,我們離找到答案又更近了一步。為了理解究竟發生了什麼,讓我們回到宇宙誕生之初。138億年前,在大爆炸之後,宇宙中產生了等量的物質和反物質。

從最小的塵埃到巨大的恆星,宇宙中的每一個結構都是由物質構成的。但是,反物質也同樣能完成這項工作。除了擁有相反的電荷之外,它們的性質幾乎與物質一樣。物質和反物質無法在同一個物理空間中共存,因為如果它們相遇,就會相互湮滅,以光子的形式釋放出能量。

物質與反物質相遇會湮滅。圖片:RealLifeLore/YouTube但是,為什麼我們所看到的宇宙完全是由物質構成的?如果曾經有等量的反物質產生,宇宙中的一切都應該湮滅,也就意味著不會有星系、恆星、行星、你、我的存在。為了解釋為什麼物質在那場終極湮滅大戰中獲得勝利,物理學家一直在尋找物質和反物質在行為上的微小差異。

3月21日,歐洲核子研究中心(CERN)的LHCb合作者在義大利的Rencontres de Moriond會議上公布了他們的最新發現:他們找到了解釋物質-反物質不對稱性的新來源。或者更精確地說,他們觀測到了粲粒子(包含粲夸克的粒子)衰變中的電荷-宇稱破壞(即CP破壞)。這個新的結果註定將被寫進物理學的教科書。

2. 物質與反物質

1898年,舒斯特(Arthur Schuster)發表在《自然》的兩篇文章中首次提出了反物質的概念。1928年,狄拉克(Paul Dirac)為反物質寫下了堅實的理論基礎。1932年,安德森(Carl Anderson)第一次在實驗中發現正電子(電子的反物質)。雖然反物質聽起來似乎非常罕見,但事實上我們日常食用的香蕉(富含鉀)中平均每75分鐘就會釋放出一個正電子。然後它們會與物質電子湮滅釋放出光。

我們看到的所有物質都是由被稱為夸克和輕子的基本粒子組成的。夸克有六種:上、下、奇、粲、底、頂。同樣地,輕子也有六種:電子、μ子、τ子和三種中微子。這12種粒子都有其相應的反物質粒子,它們的唯一區別就是擁有相反的電荷。

標準模型中的基本粒子理論上,反物質粒子應該是它們的物質夥伴的完美鏡像。但實驗表明,情況並非總是如此。以一種被稱為介子的粒子為例,它是由一個夸克和一個反夸克組成的。中性介子具有一個迷人的特性:它們可以自發的轉變成它們的反介子,反之亦然。在這個過程中,夸克會轉變成反夸克,反夸克也會轉變為夸克。但實驗表明,隨著時間的推移,這種情況會更多地朝一個方向發展——產生的物質要多於反物質。

3. 自然並不總是對稱的

在含有夸克的粒子中,只有那些包含奇夸克和底夸克的粒子被發現具有這種不對稱性(即CP破壞)。這些都是非常重要的發現。1964年,克羅寧(James Cronin)和菲奇(Val Fitch)第一次在中性K介子(包含了一個奇夸克)上觀測到這種效應,這使得理論學家能夠預測出六種夸克的存在——而那時已知存在的夸克只有三種。這在當時是非常令人震驚的發現,因為物理學界是如此肯定CP對稱性是不會被破壞的。

1970年代出,在卡比博(Nicola Cabibbo)和其他人的工作之上,小林誠(Makoto Kobayashi)和益川敏英(Toshihide Maskawa)意識到CP破壞可以自然地被囊括在粒子物理學的標準模型的理論框架中。他們的想法最終在2001年得到了證實,當時BaBar和Belle合作組在中性B介子(包含了一個底夸克)衰變中也觀測到了CP破壞。

這兩項發現分別獲得了1980年和2008年的諾貝爾物理學獎。

這些發現從根本上改變了我們對自然的理解4. 裡程碑的新發現

奇夸克和底夸克都帶有負電荷(電荷均為-1/3)。理論上,粲夸克(電荷為+2/3)是唯一一個能形成具有物質-反物質不對稱性的粒子的帶正電荷的夸克。如果的確如此,那麼這個效應也應該非常小,而且很難被探測到。現在,LHCb實驗第一次成功地在一種被稱為D介子(由一個粲夸克和一個反上夸克組成)的粒子中觀測到了這種不對稱性。

為了觀測這種不對稱性,LHCb的研究人員使用了大型強子對撞機(LHC)在2011年至2018年間提供給LHCb實驗的完整數據集(這些數據積累了足夠的粒子衰變事件)。他們的目標是尋找D介子及其反粒子(反D)衰變成K介子和π介子的衰變率差別。這項研究結果的精確度達到了5.3標準偏差的統計顯著性,要知道,在粒子物理學中,結果具有5個標準偏差就可以宣稱是一個新發現了。這意味著我們很快就會在新的物理教科書上看到這一發現。

CP對稱變換會將一個粒子與其反粒子的鏡像互換。LHCb觀測到,在D介子(圖右邊的大球體)和它的反物質對應物反D介子(圖左邊的大球體)衰變為其他粒子時,這種對稱性會遭到破壞。破壞的程度是根據每種情況下衰變數量的不同而推斷出來的。圖片:CERN如果這種不對稱性與導致奇夸克和底夸克不對稱性的機制不同,那麼就為物質-反物質不對稱性留出了空間,這可以增加早期宇宙中不對稱性的總量。這很重要,因為少數已知的不對稱案例無法解釋為什麼宇宙包含這麼多物質。當然,單憑粲的發現還不足以填補這個空白,但這是理解基本粒子相互作用的一塊重要拼圖。

之後,理論物理學家需要更努力地去解釋此次的發現,他們需要弄清楚標準模型是否可以解釋這一結果。雖然我們仍然不能完全解開物質-反物質不對稱性之謎,但最新的發現或許打開了一扇通往未知現象的大門。相信終有一天,我們會揭開為什麼我們得以存在的謎底。

博科園-科學科普|文: CERN轉自: 原理/principia1687博科園-傳遞宇宙科學之美

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